Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hệ fe2o3 mn2o3 la2o3 ceo2 mn2o3 fe2o3 để hấp phụ asen trong nước

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3, Mn2O3, La2O3, CeO2 nhằm hấp phụ asen trong nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Nguyễn Đoàn Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS. Lưu Minh Đại
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hệ Fe2O3-Mn2O3-La2O3, CeO2-Mn2O3-Fe2O3 để hấp phụ asen trong nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH Ô NHIỄM ASEN
• 1.1. Nguồn gốc ô nhiễm asen
• 1.2. Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm
• 1.3. Cơ chế tác hại của ô nhiễm asen
• 1.4. Giải pháp xử lý asen từ môi trường nước
• 1.4.1. Các phương pháp xử lý asen
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen trong nước

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen trong nước đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học môi trường. Asen là một trong những chất ô nhiễm nguy hiểm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Việc phát triển các vật liệu nano có khả năng hấp phụ asen hiệu quả là cần thiết để giải quyết vấn đề ô nhiễm này. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các vật liệu nano như oxit sắt, oxit mangan và oxit đất hiếm có thể được sử dụng để loại bỏ asen khỏi nước ngầm.

1.1. Tình hình ô nhiễm asen trong nước hiện nay

Ô nhiễm asen trong nước là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt ở các vùng nông thôn và khu vực có nguồn nước ngầm. Theo thống kê, hàng triệu người trên thế giới đang phải đối mặt với nguy cơ nhiễm asen từ nguồn nước sinh hoạt. Các nghiên cứu cho thấy nồng độ asen trong nước ngầm ở nhiều khu vực vượt quá mức cho phép, gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng.

1.2. Tác động của asen đến sức khỏe con người

Asen có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm ung thư, bệnh tim mạch và các rối loạn di truyền. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiếp xúc lâu dài với asen có thể dẫn đến các triệu chứng như sạm da, rụng tóc và giảm trí nhớ. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để loại bỏ asen khỏi nước là rất cần thiết.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xử lý asen trong nước

Việc xử lý asen trong nước gặp nhiều thách thức do tính chất hóa học phức tạp của nó. Asen tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, và mỗi dạng có khả năng hấp phụ khác nhau. Điều này làm cho việc lựa chọn vật liệu hấp phụ phù hợp trở nên khó khăn. Hơn nữa, các phương pháp xử lý hiện tại như kết tủa và trao đổi ion thường không hiệu quả trong việc loại bỏ asen ở nồng độ thấp.

2.1. Các phương pháp xử lý asen hiện tại

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý asen như kết tủa, trao đổi ion và hấp phụ. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng. Ví dụ, phương pháp kết tủa có thể tạo ra chất thải rắn, trong khi phương pháp trao đổi ion thường bị cạnh tranh bởi các anion khác trong nước.

2.2. Thách thức trong việc phát triển vật liệu nano hấp phụ

Phát triển vật liệu nano hấp phụ asen đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ lưỡng về cấu trúc và tính chất của vật liệu. Các yếu tố như diện tích bề mặt, tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu cũng cần được xem xét. Điều này tạo ra một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu trong việc tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen, trong đó phương pháp sol-gel và kết tủa là phổ biến nhất. Những phương pháp này cho phép tạo ra các vật liệu nano với kích thước và hình dạng mong muốn, từ đó tối ưu hóa khả năng hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp các oxit khác nhau có thể tạo ra các vật liệu hỗn hợp với hiệu suất hấp phụ cao hơn.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo vật liệu nano

Phương pháp sol-gel là một trong những kỹ thuật hiệu quả để chế tạo vật liệu nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó tối ưu hóa khả năng hấp phụ asen. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vật liệu nano chế tạo bằng phương pháp sol-gel có hiệu suất hấp phụ cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Kết tủa và các phương pháp tổng hợp khác

Phương pháp kết tủa cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen. Phương pháp này đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng cần phải kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng để đạt được hiệu suất hấp phụ tối ưu. Ngoài ra, các phương pháp như đốt cháy gel cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất hấp phụ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano hấp phụ asen

Các vật liệu nano hấp phụ asen đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ xử lý nước sinh hoạt đến bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cho thấy rằng các vật liệu này có thể loại bỏ asen hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng nước. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu nano cũng giúp giảm thiểu chi phí xử lý nước, mang lại lợi ích kinh tế cho cộng đồng.

4.1. Hiệu quả của vật liệu nano trong xử lý nước

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vật liệu nano như oxit sắt và oxit mangan có khả năng hấp phụ asen cao, giúp loại bỏ hiệu quả chất ô nhiễm này khỏi nước. Các thử nghiệm thực địa cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể giảm nồng độ asen xuống dưới mức cho phép, đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng vật liệu nano

Việc áp dụng vật liệu nano trong xử lý nước không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn mang lại lợi ích kinh tế. Chi phí xử lý nước giảm đáng kể khi sử dụng các vật liệu này, đồng thời giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Điều này tạo ra một mô hình bền vững cho việc quản lý nguồn nước.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật liệu nano hấp phụ asen

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hấp phụ asen trong nước đang mở ra nhiều triển vọng mới trong việc xử lý ô nhiễm nước. Các kết quả đạt được từ nghiên cứu cho thấy rằng việc phát triển các vật liệu nano hiệu quả có thể giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm asen một cách bền vững. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới cho việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

5.1. Triển vọng nghiên cứu vật liệu nano trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu vật liệu nano hấp phụ asen rất hứa hẹn. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới với hiệu suất hấp phụ cao hơn, đồng thời cải thiện khả năng tái sử dụng và ổn định của vật liệu. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

5.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước

Bảo vệ nguồn nước là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong việc đảm bảo sức khỏe cộng đồng. Việc phát triển các vật liệu nano hấp phụ asen không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các giải pháp bền vững trong xử lý nước sẽ là chìa khóa cho tương lai an toàn hơn cho thế hệ sau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nƣớc là một tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là yếu tố không thể thiếu đối với con ngƣời và sự sống trên Trái Đất. Ngày nay, quá trình công nghiệp và đô thị hóa cùng với sự gia tăng dân số khá nhanh đã đòi hỏi nguồn nƣớc cung cấp không ngừng tăng cả về số lƣợng và chất lƣợng. Nguồn nƣớc sinh hoạt đƣợc khai thác chủ yếu từ nƣớc ngầm, theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO), nƣớc ngầm tại các vùng địa chất nhƣ Bangladet, Tây Bengal, Trung Quốc và Việt Nam thƣờng chứa các hóa chất nhƣ NH 4+, Fe, Mn, As… gây tác hại đến cơ thể con ngƣời. Đặc biệt sử dụng nguồn nƣớc nhiễm asen có thể gây một số bệnh hiểm nghèo nhƣ: Ung thƣ, tim mạch, biến đổi gen … Do đó, trong công nghệ khai thác và xử lý nƣớc, việc loại bỏ các chất ô nhiễm, nhất là asen trở nên hết sức cần thiết và cấp bách.

Có nhiều phƣơng pháp loại bỏ asen ra khỏi nguồn nƣớc nhƣ: kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ… Trong đó, hấp phụ là phƣơng pháp phổ biến và có hiệu quả cao. Ngày nay, với sự phát triển của nhiều phƣơng pháp tổng hợp vật liệu mới, các vật liệu oxit đƣợc tổng hợp có kích thƣớc nanomet đã thể hiện vai trò to lớn trong lĩnh vực hấp phụ asen, đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy, vật liệu hấp phụ asen có chứa các đơn oxit mangan (MnO2, Mn2O3), oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4), hay oxit đất hiếm (La2O3, CeO2). đã thể hiện hiệu quả xử lý cao.

Tuy nhiên, các oxit hỗn hợp của chúng vẫn chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu đầy đủ. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano hệ Fe2O3-Mn2O3-La2O3, CeO2 -Mn2O3- Fe2O3 để hấp phụ asen trong nƣớc” đƣợc thực hiện trong khuôn khổ của một luận văn thạc sĩ khoa học. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài sẽ góp phần lựa chọn điều kiện tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp để ứng dụng hấp phụ asen có trong nguồn nƣớc sinh hoạt. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1.

Tình hình ô nhiễm asen 1. Nguồn gốc ô nhiễm asen Trong tự nhiên, asen có trong nhiều loại khoáng vật nhƣ Realgar As4S4, Orpoment As2S3, Asenolit As2O3, Asenopyrit FeAsS (có tới 368 dạng). trong nƣớc, asen thƣờng ở dạng asenit hoặc asenat (AsO33-, AsO43-). Các hợp chất asen methyl có trong môi trƣờng do chuyển hóa sinh học.

Trong công nghiệp, asen có trong ngành luyện kim, xử lý quặng, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, thuộc da. Asen thƣờng có mặt trong thuốc trừ sâu, diệt nấm, diệt cỏ dại. Quá trình đô thị hoá, hiện đại hoá trong công nghiệp, nông nghiệp đã tạo ra một lƣợng lớn hoá chất, cùng với chất thải và nƣớc thải của các khu công nghiệp và khu dân cƣ chƣa qua xử lý thải ra môi trƣờng. Các nguồn chất thải ngấm qua lớp đất đá, khi đó đã làm cho asen ở dạng khó tan chuyển thành dễ tan và đi vào nguồn nƣớc làm suy thoái nguồn nƣớc ngầm.

Asen không chỉ có trong nƣớc mà còn có trong không khí, đất, thực phẩm và có thể xâm nhập vào cơ thể con ngƣời. Nguyên nhân chủ yếu khiến nƣớc ngầm ở nhiều vùng khu vực nhiễm asen là do cấu tạo địa chất [1]. Khi nƣớc chảy qua các vỉa quặng chứa asen đã bị phong hoá, asen sẽ di chuyển vào nguồn nƣớc làm cho nồng độ của asen trong nƣớc tăng lên. Sự phân bố rộng rãi của nguyên tố asen đƣợc bắt đầu từ quá trình địa hóa.

Điều này có nghĩa là nồng độ của asen gia tăng khi càng xuống sâu dƣới các tầng đất hoặc mạch nƣớc ngầm. Các tầng nƣớc ngầm có nồng độ asen cao thƣờng ở độ sâu từ 20m đến 120m. Ở 20m, cấu trúc địa chất chứa nhiều đất sét pha cát trộn lẫn với kankar. Xuống đến độ sâu 120m, đất mịn pha sét có thể chứa nồng độ asen lên đến 550 mg/l.

Ở dƣới tầng đất ngầm, asen thƣờng xuất hiện nhiều trong các hỗn 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hợp khoáng tạo đá (Ví dụ: oxit sắt, đất sét, hoặc hỗn hợp khoáng sulphide). Rất nhiều asen bị kết dính trong các hỗn hợp khoáng pyrite ở lƣu vực phù sa. Đáng chú ý là trong quá trình bơm nƣớc lên từ những khu vực giếng sâu làm hạ thấp mực nƣớc ngầm, oxi theo đó sẽ xâm nhập vào thúc đẩy quá trình oxi hóa khoáng pyrite. Quá trình phản ứng oxi hóa khoáng pyrite cũng đồng thời với việc giải phóng nguyên tố asen vào môi trƣờng nƣớc [1].

Càng xuống sâu dƣới các tầng địa chất của một số địa vực đã nêu, nồng độ asen càng cao hơn. Ở trong những tầng địa chất này, phản ứng oxi hóa đối với khoáng chất sunfua diễn ra càng mạnh. Vì thế, giải phóng một lƣợng asen lớn hơn. Ở môi trƣờng có độ ẩm càng cao, các hỗn hợp khoáng sunfua tham gia vào quá trình phong hóa càng cao hơn.

Khoáng pyrite là một trong những điển hình của hỗn hợp khoáng kém ổn định nhất trong quá trình địa hóa. Quá trình oxi hóa diễn ra theo phản ứng: FeAsS + O2 + H2O → H3AsO4 + H3AsO3 + H2SO4 + FeOOH 1. Hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm Vấn đề ô nhiễm asen trong nƣớc sinh hoạt đang là một trong những mối quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới. Năm 1991, lần đầu tiên phát hiện ra hiện tƣợng nƣớc ngầm ở Đài Loan chứa hàm lƣợng asen cao hơn tiêu chuẩn quốc gia hiện hành và số ngƣời bị ảnh hƣởng bởi các nguồn nƣớc nhiễm asen này lên đến con số 100 ngàn ngƣời, cùng với thảm hoạ nhiễm độc asen đƣợc phát hiện trên diện rộng ở Bangladet, Mỹ, Trung Quốc, Chi Lê, Đài Loan, Hà Lan, Canada, Hungari, Nhật Bản và Ấn Độ… Vì vậy, vấn đề ô nhiễm asen càng trở nên vô cùng cấp thiết [64,65].

Giá trị cho phép của WHO (Tổ chức Y tế thế giới) đối với asen trong nƣớc uống đã giảm từ 0,05 mg/l (năm 1993) xuống 0,01 mg/l [4]. Ở Việt Nam, theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, trên cả nƣớc có nhiều vùng nhiễm asen, đặc biệt các tỉnh ở đồng bằng Bắc Bộ nhƣ Hà Nội, Hà Nam, Hƣng Yên, Vĩnh Phúc… nhiễm asen với mức độ cao [30], [31]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Theo thống kê của UNICEF (Quỹ Nhi đồng Liên hiệp quốc), tại Việt Nam có khoảng 10 triệu ngƣời có nguy cơ bị bệnh do tiếp xúc với asen. Qua những số liệu thu thập đƣợc cho thấy sự ô nhiễm asen ở miền Bắc cao hơn miền Nam.

Đáng chú ý là cả vùng đồng bằng Bắc Bộ đều nằm trong tình trạng đáng lo ngại về mức độ ô nhiễm asen.1: Số liệu báo cáo tình hình ô nhiễm asen của UNICEF năm 2004 Số Số mẫu Mẫu có Tỷ lệ Mẫu có Tỷ lệ TT Tỉnh giếng khảo As>10µg/l % As>10µg/l % sát 1 An Giang 1543 240 61 25,4 10 4,2 2 Bình Phƣớc - 52 0 0,0 0 0 3 Cao Bằng - 35 2 5,7 0 0 4 Đồng Tháp 7780 212 88 41,5 83 39,2 5 Gia Lai - 293 9 3,1 1 0,3 6 Hà Nam 49000 7042 4517 73,4 3534 62,1 7 Hà Nội - 824 414 49,3 199 23,3 8 Hà Tây 180891 1368 638 46,6 338 24,7 9 Hải Dƣơng 57938 480 34 7,1 3 0,6 10 TP HCM - 240 0 0,0 0 0,0 11 T. Huế 16560 322 17 5,3 1 0,3 12 Hƣng Yên 147933 3384 700 20,7 310 9,2 13 Lâm Đồng - 50 11 22,3 0 0,0 14 Long An 2722 235 0 0,0 0 0,0 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 15 Nam Định 42964 605 156 21,3 104 13,8 16 Ninh Bình - 75 26 34,7 8 10,7 17 Phú Thọ - 150 0 0,0 1 0,2 18 Quảng Nam - 546 0 0,0 1 0,2 19 Quảng Ninh 4960 240 5 2,1 1 0,4 20 Quảng Trị - 128 14 10,4 1 0,8 21 Tây Ninh - 603 0 0,0 0 0,0 22 Thái Bình 136172 125 66 52,8 1 0,8 23 Thái Nguyên - 240 7 2,9 2 0,8 24 Thanh Hóa - 347 17 4,9 17 4,9 25 Vĩnh Phúc - 161 0 0,0 0 0,0 Số liệu từ bảng 1.1 cho thấy: Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây (cũ), Đồng Tháp. là những địa phƣơng có nguồn nƣớc ngầm bị nhiễm asen. Nồng độ asen trong nƣớc ngầm : 0,01 mg/l là tiêu chuẩn cho phép nƣớc cấp sinh hoạt QCVN 01/2009 của Bộ Y Tế [2], [22].

Theo UNICEF và WHO thì ở Việt Nam hiện nay cứ năm ngƣời thì có một ngƣời có nguy cơ nhiễm asen trong nƣớc. Rất nhiều nơi nhiễm asen ở mức độ cao đƣợc phát hiện và nơi nhiễm nặng nhất là tỉnh Hà Nam. Trong khoảng gần 1 triệu dân Hà Nam thì khoảng 300 ngàn ngƣời bị phơi nhiễm asen. Cơ chế tác hại của ô nhiễm asen Asen có lẽ là nguyên tố duy nhất trong số các kim loại nặng và các nguyên tố oxi-anion (asen, selen, antimon, molipden, vanadi, crom, ura, reni) dễ chuyển hóa theo từng giá trị pH trong nƣớc ngầm dƣới cả điều kiện oxi hóa lẫn điều kiện khử.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Asen xuất hiện trong môi trƣờng ở các dạng oxi hóa khác nhau (-3, 0, +3 và +5) nhƣng trong nƣớc tự nhiên chủ yếu tồn tại dạng vô cơ oxi-anion với số oxi hóa +3 hoặc +5. Các dạng asen hữu cơ có thể đƣợc tạo ra nhờ các hoạt động sinh học trong hầu hết nƣớc bề mặt, còn trong nƣớc ngầm chúng xuất hiện khi nguồn nƣớc bị ô nhiễm chủ yếu do công nghiệp. Asen - một nguyên tố gây ra nhiều vấn đề khó giải quyết nhất trong môi trƣờng bởi vì sự di chuyển của nó trên phạm vi rộng dƣới các điều kiện oxi hóa-khử. Trong nƣớc, thế oxi hóa-khử (Eh) và pH là hai yếu tố điều khiển sự phân bố các dạng biến đổi của asen.

Trong điều kiện oxi hóa, asen tồn tại ở dạng oxi-anion của As(V) có 4 dạng gồm H3AsO4o, H2AsO4-, HAsO42- và AsO43- tƣơng ứng với khoảng pH < 2; 2-7; 7-12 và pH > 12, với các giá trị pKa nhƣ sau: Trong điều kiện khử, asen tồn tại ở dạng oxi-anion của As(III) có 4 dạng gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- với các giá trị pKa nhƣ sau: Asen là nguyên tố vi lƣợng, rất cần thiết cho sự sinh trƣởng và phát triển của con ngƣời và sinh vật khi ở một mức độ nhất định. Asen đóng vai trò trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Asen thƣờng tồn tại dƣới dạng hợp chất, chính các hợp chất của asen mới là những chất độc cực mạnh. Các dạng hợp chất As(III) có độc tính cao hơn dạng As(V).

Khi hàm lƣợng asen vƣợt quá mức cho phép (0,01mg/l đối với nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống) thì chúng rất nguy hiểm.